节能降耗是铝电解工业一直面临的首要问题,铝电解槽的电磁场、热场及流场等的研究一直是铝电解工业的研究热点。水平电流是这些物理场协同作用的结果,同时又导致电解槽电流效率降低和能耗增加。本文针对大型预焙阳极铝电解槽水平电流的问题,在综述前人工作的基础上,利用商业有限元软件ANSYS开发了铝电解槽三维(3D)切片电模型和3D切片热电耦合模型。首先,利用3D切片电模型,结合铝电解阳极气体研究的最新成果,首次研究了阳极大气泡对水平电流产生的影响及变化规律;其次,研究了阴极沉淀、铝液高度(铝水平)、阴极炭块高度、阴极钢棒尺寸以及阴极钢棒放置方式等对水平电流的影响,丰富和发展了铝电解槽水平电流的研究内容;然后,利用3D切片热电耦合模型研究了一种开缝钢棒阴极结构对铝电解槽铝液水平电流、阴极温度场和阴极电压降的影响;最后,提出一种新型开缝炭块阴极结构并分析了该结构对铝电解槽热电场的影响。主要结论如下:(1)由于气泡较大的电阻,电流通过电解质要绕过阳极大气泡,大气泡下方的电解质中只有很少的电流通过,而在气泡周围存在极大的局部电流,因此大气泡的存在对水平电流产生了非常大的影响:首先,处于不同位置的气泡,对水平电流分布产生的影响是不同的。对于覆盖率为33.3%的大气泡,当大气泡位于左侧时(靠近槽中心),槽中心附近的铝液中会产生较多的逆向水平电流,在上层铝液中最大逆向水平电流为8078A/m2,最大逆向水平电流距离槽中心0.6m处。当气泡位于右侧时(槽侧部),上层铝液中的最大水平电流从13001A/m2(无气泡)增加到30174A/m2;其次,气泡覆盖率会对水平电流产生比较大的影响。当气泡位于阳极中部时,随着气泡覆盖率的增加,最大水平电流迅速增加。当气泡覆盖率从33.3%增加到100%时,上层铝液中最大水平电流从20378A/m2增加到37136A/m2且最大水平电流向槽中心方向移动。当覆盖率为100%时,在槽侧部会产生一个高达35575A/m2的逆向水平电流。(2)由于沉淀较大的电阻率,电流只能绕过沉淀从铝液进入到阴极炭块中,沉淀周围会产生较大的局部电流。处于槽侧部的沉淀要大于槽中心沉淀对水平电流分布的影响。侧部沉淀的增多会使得水平电流减小,同时会引起槽侧部产生逆向水平电流。(3)增加铝水平、阴极炭块高度和阴极钢棒横截面积都可以降低水平电流。当铝水平从20cm增加到30cm,阴极炭块高度从450mm增加到550mm,阴极钢棒横截面积从180×65mm2增加到180×180mm2,最大水平电流分别降低了 33.6%,26.1%和43.2%。当铝水平增加时,铝液上下表面垂直电流的分布都没有发生改变,而增加阴极炭块高度和阴极钢棒横截面积,会改善槽中心阴极炭块和阴极钢棒与槽侧部阴极炭块中电阻的差别,使得下表面位于槽侧部和槽中心铝液中垂直电流的差别变小,从而达到减小水平电流的目的。另外,把阴极钢棒放置方式由180×65mm2更改为65×180mm2,水平电流降低 20.5%。(4)在阴极钢棒中,由于开缝及添加的绝缘材料,使得传统阴极钢棒变为上下“两个钢棒”,促使更多的电流通过位于缝隙下方的钢棒。开缝位置越靠近阴极钢棒上部,对减少水平电流的作用越好,当开缝长度为900mm时,最大水平电流降低44.1%。但是,由于开缝钢棒中电流分布发生很大变化,一方面导致阴极压降升高约53mV,另一方面使得阴极钢棒变成一个潜在的“热源”,钢棒中最高温度位置由钢棒最右端转移到开缝周围,温度的升高可能使得浸入到阴极炭块中的电解质析出而侵蚀钢棒,降低电解槽寿命。(5)在阴极炭块侧部开缝并在缝中添加绝缘材料,使得电流在通过侧部的阴极炭块要绕过开缝才能进入到阴极钢棒,从而平衡槽中心和槽侧部电路中电阻的差别,达到降低水平电流的目的。开缝位于距离阴极炭块上表面150mm处,随着开缝深度的增加,对降低水平电流的效果越好,当开缝长度为400mm时,最大水平电流降低了 50.9%,同时阴极电压降会增加约40mV,阴极炭块和阴极钢棒的温度会略微升高。